A villamos áram hőhatása

2015.11.09 20:40

A villamos áram hatásai

 

Az álló villamos töltéseknek csak elektromos kölcsönhatásuk van, amikor azonban a töltések mozogni kezdenek, az elektromos mellett további kölcsönhatások is fellépnek. Ezek közül a gyakorlati felhasználás szempontjából a villamos áram hő, fény, vegyi, élettani és mágneses hatása a legjelentősebb.

 

A villamos áram hőhatása

 

Ha nem légüres térben áramlanak a töltéshordozók, akkor az anyag atomjai akadályozzák a mozgásukat. A bekövetkező ütközések a töltéshordozók sebességét, és ezáltal a mozgási energiáját is csökkentik.

Ez az energia az anyagban hőenergiává alakul, amit fűtőberendezésekben (például főzőlap fűtőspirálja, vasaló, forrasztópáka) használhatunk fel. A mágneses hatást itt elhanyagoljuk, mert ezekben a berendezésekben a hőhatás a legfontosabb. A villamos áram egy testet olyan magas hőmérsékletre is felmelegíthet, hogy az izzásba jön (például izzólámpa ). Ilyenkor a kibocsátott fényt hasznosítjuk, és az ezzel járó hőhatást hanyagoljuk el.

Egy fogyasztóban a szabad töltéshordozók folyamatos áramlásának biztosításához külső villamos energia befektetése szükséges. Ha az energia felhasználásának célja a fűtés vagy a melegítés, akkor ezt a villamos energiát hőenergiává kell átalakítani, de a fogyasztókban közvetlenül nem hasznosítható energia is általában hőenergiaként veszik el.

 

Villamos és hőenergia

 

Az energia-megmaradás törvénye értelmében a befektetett villamos energia megegyezik a melegített test által felvett hőenergiával: Wvill = Q. Ha az áramkör elektromos adataiból határozzuk meg a befektetett energiát, akkor a már leírtak szerint a Wvill=U⋅I⋅t összefüggéssel tehetjük meg. Ha átalakítjuk ezt Ohm törvényének felhasználásával, akkor a kifejezésből a gyakorlatban jelentkező problémák okaira tudunk következtetni. Mivel a betáplált és hővé alakuló energia az áramerősség négyzetével arányos, ezért nagyobb áramerősség esetén a vezetékek és az elektromos alkatrészek sokkal jobban melegszenek. Ezt a jelenséget hasznosítják az olvadó biztosítóban túláram esetén, amikor a nagymértékű melegedés hatására a vezetőszál elolvad, és az áramkör megszakad.

 

Arra is ügyelni kell, hogy a keletkező hő az ellenállással is egyenesen arányos, ezért egy áramkörben a nagyobb ellenállású elemen keletkezik nagyobb hő. Ez káros hőhatásként jelentkezik az elektromos csatlakozási pontokon, ha azok csak lazán kapcsolódnak, például a nem kellően meghúzott csavarral rögzített vezetéknél. Viszont ugyanez a jelenség használható fel a pillanatforrasztó huzaljának, illetve ívhegesztéskor a hegesztőpálca végének a melegítésére.

 

A hő terjedése

 

A hő terjedésének nevezzük, ahogyan a hőenergia eljut az egyik rendszerből a másikba. Ez történhet vezetéssel, áramlással és sugárzással, illetve ezek kombinációjával. A hő mindig a magasabb hőmérsékletű helyről (ez most az áram hőhatása által melegített berendezés) a kisebb hőmérsékletű hely (a környezet) felé terjed.

Hővezetés
Szilárd anyagokban a hő vezetéssel terjed, például a forrasztópákából a forrasztócsúcson keresztül a forrasztandó alkatrészbe, egy tranzisztor hűtésekor a tranzisztorból a hűtőbordába vagy a villanyrezsóból az edény falába. Ezekben az anyagokban az atomok és a szabad elektronok a hőmérsékletükkel arányos rezgő mozgást végeznek. A hővezetéskor ennek a mozgásnak az energiáját közvetítik a szabad elektronok mozgásukkal és ütközéseikkel. A test hőenergiáját tehát azok az anyagok vezetik jól, amelyekben sok szabad elektron van, vagyis elektromosan is jó vezetők. Ilyen jó hő és áramvezetők a fémek.

 

Hőáramlás

Folyadékokban és gázokban a hő áramlással terjed, például egy hűtőbordából a környezetbe, a fűtőkészülékekből a szoba hidegebb részei felé vagy a melegített edényből a benne levő folyadékba. A magasabb hőmérsékletű helyen az anyag kitágul, mert a molekulák intenzívebben mozognak, ezért több helyre van szükségük. A melegebb és emiatt kisebb sűrűségű anyag felfelé áramlik, helyére pedig a hidegebb kerül. Ezt a jelenséget hőáramlásnak nevezzük, és ezért kell a hűtőbordák, illetve a radiátorok lapjait függőlegesen elhelyezni. A leadott hőmennyiség nemcsak a test felületével arányos, hanem függ annak helyzetétől is.

 



Hősugárzás
A hő elektromágneses sugárzással is terjedhet, például a Napból a légüres téren át így jut el hozzánk a hőenergia. A test sugárzással leadott hőteljesítménye egyenesen arányos a hőmérsékletével és a felületének nagyságával, de befolyásoló tényező a színe is. A hűtőbordákat azért festik fekete színűre, mert a fekete felület sugároz a legerősebben. Hősugárzás esetén a hő elektromágneses sugárzás formájában terjed, így a terjedéséhez nincs szükség közvetítő közegre.



 

 

 

 

Testek melegedése

Ha egy testet állandó villamos teljesítménnyel melegítünk, azt tapasztaljuk, hogy a hőmérséklete először lineárisan, majd egyre lassabban növekszik. Az ábra mutatja, hogy a melegedés egy maximális hőmérsékletet elérve már nem folytatódik, mert ekkor a test által felvett és a kisugárzott energia megegyezik. A test maximális hőmérséklete a betáplált teljesítménnyel arányos, minél nagyobb a teljesítmény, a test annál magasabb hőmérsékletre melegszik fel.

A villamos berendezések és alkatrészek a bekapcsolás után ilyen módon változtatják a hőmérsékletüket. Ha a hőmérséklet egy megadható maximális értéknél nagyobb, károsodás következhet be. Ezt elkerülhetjük a betáplált teljesítmény csökkentésével, illetve a fogyasztó felületének növelésével is, mert így megnövelhető a kisugárzott teljesítmény. A gyakorlatban ezt hűtőbordák alkalmazásával érjük el. Az izzólámpák esetében az izzószál kis mérete pedig éppen a kellően magas hőmérséklet miatt szükséges, mert a wolframszál izzása szolgáltatja a fényt.

 

Az, hogy egy anyag a melegítés során adott villamos munka hatására mennyire melegszik fel, függ az adott anyag tömegétől, és az anyagi minőségétől is:

Wvill = Q (hőmennyiség)

Q = c*m*(T2 - T1) ahol c az anyagra jellemző állandó: a fajhő. 

A fajhő megmutatja, hogy az adott egységnyi tömegű anyag hőmérsékletének 1C0 - al való növeléséhez mekkora energiamennyiség szükséges.

Érdekes tény, hogy - jelenlegi tudásunk - szerint a legnagyobb fajhője az univerzum összes anyaga közül a víznek van.

 

Néhány anyag fajhője:

 

Anyag Fajhő, c Anyag Fajhő, c
  J/kg K   J/kg K
Alumínium 900 Jég 2100
Vas/acél 450 Fa 1700
Réz 390 Nylon 1700
Bronz 380 Gumi 1700
Cink 380 Márvány 880
Ezüst 230 Beton 850
Higany 140 Gránit 840
Wolfram 135 Homok 800
Platina 130 Üveg 670
Ólom 130 Szén 500
Hidrogén 14000 Etanol 2400
Levegő 718 Paraffin 2100
Nitrogén 1040 Víz 4186
Vízgőz 2000 Tengervíz 3900
Emberi test 3470 Protein 1700